基于北斗通讯的ADCP集成技术研究

袁锐 孙文俊

（第七一五研究所，杭州，310023）

声学多普勒流速剖面仪(下文简称 ADCP)是一种利用声学多普勒效应测量水域剖面流速的仪器，一般有3～4个水声换能器，相互间存在一定的夹角，每个换能器都能接收和发射信号。我国的ADCP是在20世纪90年代才开始起步，比国外起步晚了将近30年，国内现在使用的ADCP大部分都是引进的。海洋强国是国家战略的重要组成部分，特别是近期提出的智慧海洋，以完善的海洋信息采集与传输体系为基础，运用大数据技术，实现海洋资源共享、海洋活动协同，创造新价值。流场信息是海洋环境三个基础要素之一，也是智慧海洋不可缺少的数据信息。当前ADCP是测量流场信息的主要工具，它采用声学多普勒原理，直接测出断面的流速剖面。相比早期的机械式测量，它具有精度高、效率高、不影响流场特性等优点，因此发展和普及国产ADCP，有着重要的现实意义[1-4]。

本文项目在某大型海港的每个码头装有共计十余套水平测流仪，以获取整个海港的海流信息，便于舰船和潜艇做出正确决策，如是否适合出港或训练等。为了同时获取整个海港的海流信息，需要将所有码头的水平测流仪数据集成处理，本文讨论基于北斗通讯的 ADCP集成系统相关关键技术问题。

1 系统总体概况

项目为每套ADCP和北斗终端系统配备一套太阳能供电设备，满足其用电需求。供电箱一方面向ADCP和北斗终端供电，一方面存储太阳能转化的电能。在供电箱电能充足的情况下，正常向设备供电，若供电箱电能不足时，自动切断向设备供电直到电能充足为止。

ADCP实时采集水域数据，并将数据处理后通过串口发送给北斗终端；北斗终端将数据分成若干频度，依次通过卫星发送给指挥机；指挥机再将数据通过串口发送给岸基服务器；服务器接收数据后按北斗 ID号将分开的频度进行组包，获取完整的ADCP数据后，将数据存储并且放入缓存，通过WCF（Windows Communication Foundation）供每个客户端读取。当客户端需要向ADCP发送指令以控制其工作方式时，客户端可以选择单独发送（控制单个ADCP）或广播发送（控制所有ADCP），通过WCF服务，将指令发送给服务器；服务器通过串口将指令发送给指挥机，指挥机通过卫星将指令发送给对应北斗终端，北斗终端通过串口将指令发送给ADCP，ADCP接收并执行指令。系统构成图如图1所示。

系统构成根据安装地点可以分为两部分，一部分安装在近岸边，另一部分安装在指挥室。近岸边和指挥室通过卫星进行数据传输。近岸边包括河流边、沿海边和码头上等。ADCP安装在水下，采集水域数据。北斗终端安装在岸基，通过电缆接收水下ADCP传来的数据，并通过卫星发送给指挥室。ADCP通过电缆与北斗终端相连，接口方式为串口。由于安装地域太阳能充足，因此在近岸边采用太阳能方式供电。

指挥室设备包括指挥机、服务器、交换器以及多台客户端电脑。指挥机包括一个收发端和一个控制器，收发端接收通过卫星发送来的北斗终端数据，也能通过卫星向北斗终端发送指令。控制器对收发端接收到的数据进行分析和处理，再通过串口将其发送到WCF服务器，最后客户端通过WCF可实时获取数据。

2 ADCP集成通讯方式选择

ADCP集成指将分布在多个水域的ADCP通过某种通讯方式关联起来，形成一个数据集成系统。单个ADCP探测范围有限，集成多个ADCP可以获取更大范围的水域信息，更有利于海洋监测。ADCP集成系统示意图见图2。

图2 ADCP集成系统

ADCP集成涉及到数据的集成通讯选择，可供选择的方式有：电缆、电台、互联网、短信猫和北斗通讯等。每一种通讯方式都有优势和不足。电缆不受环境影响、通讯质量高、数据传输量大，但成本高、铺设工程浩大、易被人为损坏；电台属于无线通讯，成本低、使用灵活方便，但受环境影响，传输距离有限，数据误码率较高；在有互联网接入条件下，选择互联网通讯成本低、通讯质量高，但绝大多数情况下，ADCP集成系统是没有互联网连接条件的；短信猫是基于移动通讯的数据传输方式，类似于发送手机短信，数据传输误码率低，但频繁发送短信导致成本较高，而且单次传输数据量小、及时性差，并且大多数水域无移动信号；北斗通讯是基于北斗卫星通讯系统的民用数据通讯，优势在于覆盖范围广、成本低，受恶劣环境影响导致误码率较高，数据传输量有限；

项目实际开展中具有以下特点：（a）位于某海域内港，移动信号较弱；（b）天气较好；（c）ADCP安装地离岸基中心较远；（d）无互联网接入条件。特点（a）不适用于短信猫；特点（b）有利于无线传输；特点（c）不适用于电缆和电台，电缆成本太高，距离太远不适用于电台；特点（d）不能选择互联网传输；因此，北斗数据通讯成为最优选择并且满足ADCP集成数据量传输。

3 北斗民用数据通讯

北斗卫星导航系统是我国自主研发的，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位服务。此外该系统还兼备测量、数字通讯和扩频技术，成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后的第三大全球导航定位系统，为我国的信息安全提供了保障，同时也免费为全球提供服务[5-7]。北斗卫星导航系统提供两种数据通讯：军用和民用。本文讨论民用数据通讯，如图3所示。

图3 北斗民用数据通讯

民用数据通讯包括多个北斗终端和一个指挥机，指挥机需要装入一张指挥卡，北斗终端需要装入一张民用卡，指挥卡和民用卡都有各自 ID号，指挥机和北斗终端通过 ID号可以向指定的指挥机或北斗终端发送数据。民用数据通讯按组内通讯办法实施，即一张指挥卡和多张民用卡为一组，只有组内成员才能相互通讯；指挥卡向民用卡发送数据分两种方式：单独发送和广播发送。单独发送时指挥卡只向组内一张民用卡发送数据；而广播发送时指挥卡向组内所有民用卡同时发送相同数据；民用数据通讯有频度限制，即指挥卡或民用卡在一个周期内只能发送一次数据，而且数据长度有限，一个周期称为一个频度，一般为 1 min，通常情况下在一个频度内，指挥卡比民用卡发送的数据量大。

4 数据流

北斗通讯有频度限制，因此ADCP的周期（两包数据发送时间间隔）应大于等于北斗终端发送一次ADCP数据所占用的频度。

ADCP采集到海洋或者河流数据后，通过串口发送到北斗终端。北斗终端接收ADCP数据后，将数据分为若干频度，通过卫星将各个频度依次发送给指挥机。指挥机接收到卫星数据后，将数据以固定格式打包发送给服务器。数据不仅包括ADCP数据，还包括北斗终端 ID号、总频度数以及该数据包为第几频度。解析这些数据后，开始整合ADCP数据。比如当服务器接收一个频度的ADCP1数据后，若解析出它的总频度数大于它的第几频度，服务器会将该数据放入缓存并继续等待接收；如果解析到它的总频度数等于它的第几频度，服务器便开始整合所有缓存中的ADCP1数据，获取一批完整ADCP数据。若整合的数据有效，便将其放在缓存和存储，并在界面上显示，以供它用；若数据无效，界面上显示错误信息，最后将缓存中的ADCP1数据全部删除，消除对后面接收数据的影响。服务器将所有完整的ADCP数据放在缓存中，通过WCF供每一个客户端读取。每个客户端根据自己的需要，可以查看不同ADCP的数据。ADCP数据流如图4所示。

图4 ADCP数据流

客户端根据需要向ADCP发送指令，控制其工作方式。若选择单独发送，则指令将发送给某一个ADCP，若选择广播发送，则所有ADCP接收到相同指令，即客户端可以控制某一个ADCP或者同时控制所有ADCP。指挥机发送指令也存在频度限制，由于指令数据较少，只占用一个频度，一个频度为1 min，因此指令发送间隔应≥1 min；指令数据流和ADCP数据流完全相逆，原理是一样的，不再赘述。指令流如图5所示。

图5 指令流

5 结束语

该项目完工至今已稳定运行1年有余，据统计，北斗通讯数据传输有效率在98%左右。在天气条件不佳的情况下，比如云层较厚和雨天，北斗通讯数据丢包较严重，最坏情况下丢包率为20%左右；天气良好条件下，丢包率基本为零。

系统能够实时监测多个水域（海洋、河流）信息，提供有效可靠的水文数据。使用太阳能为设备提供电力支持，这在比较偏远的水域、无供电设施或者供电不方便情况下，有着重要意义。同时系统也存在一些不足：由于北斗通讯民用卡存在频度限制，因此数据传输量有限；近岸边使用太阳能供电，在雨天、阴天或者晚上，可能导致太阳能电池供电不足，设备无法正常工作。改进方案：针对ADCP数据，设计一种适用的压缩编码和纠错编码，减少数据传输量，提高数据通讯质量；设计更加完善、能保障不间断的供电方案。

[1]桌巨. ADCP实时海流信息在电子海图上的显示[D].大连海事大学, 2010.

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[3]刘勇胜, 黄程鹏. ADCP在内陆核电厂址水文观测中的应用[J]. 长江工程职业技术学院学报, 2014, 31(1):12.

[4]朱巧云. ADCP与流速仪在洋山港的比测分析[J]. 人民长江, 2007, 38(8):132-133.

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